La scoperta di Nettuno ha costituito una delle avventure intellettuali più entusiasmanti della storia della scienza; la sua esistenza fu ipotizzata indipendentemente da Adams e Leverrier in base a delle perturbazioni osservate sul moto di Urano, ma fu effettivamente scoperto dagli astronomi tedeschi Galle e d'Arrest il 23 settembre 1846, che trovarono il pianeta a 50' di distanza dalla posizione calcolata da Leverrier. La prima osservazione certa di Nettuno fu effettuata da Galileo Galilei il 27 dicembre 1612, che lo disegnò, sulle proprie carte astronomiche come una stella fissa; in effetti Nettuno è visibile con un piccolo cannocchiale, avendo una magnitudine apparente tra 7.7 e 8.0. Si tratta del pianeta più esterno del Sistema Solare e visto dalla Terra, anche con i telescopi più potenti e nelle migliori condizioni di osservazione, appare come una bolla confusa di colore verde-azzurro, causato dalla riflessione di luce blu e dell'assorbimento delle componenti più rosse da parte del metano atmosferico.

Dai dati più precisi forniti dalla sonda Voyager 2 Nettuno ha mostrato la presenza di alcune formazioni chiare che lo fanno apparire come una perla turchese variegata di bianco. Le uniche informazioni che abbiamo sul pianeta, oltre a quelle derivanti dal Voyager 2, sono le immagini acquisite dal telescopio spaziale Hubble. Nettuno è il più piccolo dei quattro giganti gassosi, ha un diametro di circa 49.492 km, una massa di 102.400 miliardi di miliardi di tonnellate (più di 17 volte quella terrestre) ed una densità media di 1.64: la più alta dei pianeti giganti. Il suo periodo di rotazione è stato determinato grazie all'emissione periodica dei segnali radio che riflettono l'andamento dei moti convettivi all'interno del nucleo, ed è risultato essere di 16.1 ore, la rotazione avviene attorno ad un asse inclinato di 28.31o rispetto al piano orbitale. Nettuno orbita attorno al Sole in 164.79 anni terrestri, su un'orbita inclinata di 1.77o sull'eclittica, con una eccentricità di 0.009 e ad una distanza media di 4.504 milioni di km .

Confrontando le immagini ottenute con il telescopio spaziale Hubble tra il 1996 e il 2002 si è notato che l'albedo complessivo del pianeta è cresciuto di circa il 10%; il fenomeno è legato ad un aumento sensibile di riflettività di alcune bande, quasi sicuramente connessa con il ciclo stagionale di Nettuno, circa 165 volte più lento che sulla Terra. Poiché Nettuno dista dal Sole 30 UA riceve 900 volte meno energia della Terra, inoltre essendo l'inclinazione dell'asse di rotazione di 28.3o, confrontabile con l'inclinazione della Terra, anche la variazione della luce solare incidente è 900 volte inferiore alla variazione che avviene sulla Terra. A causa del tempo necessario agli strati superficiali del pianeta per essere in equilibrio termico, Nettuno raggiunge la sua massima luminosità circa 15 anni dopo il solstizio, si è quindi calcolato che il prossimo valore massimo di albedo si avrà attorno al 2025. Nel 2007 erano noti tredici satelliti naturali di Nettuno.

La regione di spazio in cui l'influenza gravitazionale di Nettuno risulta predominante su quella solare e centrata su di esso viene chiamata sistema di Nettuno; le dimensioni di questa sfera si possono calcolare usando la formula del raggio di Hill, che risulta pari a 116.036.214 km; all'interno di questa sfera si trovano i satelliti naturali, gli anelli planetari, i 6 asteroidi troiani e la magnetosfera di Nettuno. I 6 troiani, 2001 QR322, 2004 UP10, 2005 TN53, 2005 TO74, 2006 RJ103 e 2007 VL305, co-orbitano col pianeta nel punto lagrangiano L4, hanno lo stesso periodo orbitale del pianeta, ma lo precedono tutti di circa 60o. Il pianeta mostra una fuoriuscita di calore dal suo interno sotto forma di sbuffi; Nettuno infatti emette quasi il triplo dell'energia che riceve dal Sole. Questo fenomeno può essere messo in relazione, almeno in parte, con gli intensi movimenti delle nubi intorno al pianeta, analogamente a quanto avviene in Giove e Saturno. Inoltre le nubi all'equatore ruotano in 19.2 ore, mentre il campo magnetico ruota in 16.11 ore.

I nomi dati a queste strutture, ordinate a distanza crescente dal pianeta, sono: Anello Galle, anello diffuso Anello Le Verrier, anello interno Anello Lassell Anello Arago Anello Adams, anello principale Anello Courage Anello Liberté Anello Egalité Anello Fraternité Le fotografie ad alta risoluzione mostrano che nell'anello principale, Adams, si concentra molta più materia rispetto alla rimanente fascia esterna del pianeta e che è costituito da tre archi principali. Le osservazioni condotte nel 2005 hanno portato a concludere che gli anelli sono estremamente instabili, forse a causa dell'attrazione gravitazionale del satellite Galatea, al punto che entro la fine del XXI secolo l'anello Liberté potrebbe scomparire.

1. uno strato superiore, costituito da nebbia fotochimica che contiene idrocarburi (metano, acetilene) sotto forma di gas;
2. uno strato intermedio, formato da nebbia di metano condensato in cristalli di ghiaccio;
3. uno strato inferiore, composto da una miscela di particelle ghiacciate di acido solfidrico e ammoniaca.

La sonda Voyager 2 ha segnalato una grande macchia scura, denominata GDS (Great Dark Spot), che si estende per oltre 10 mila Km a latitudine 22o, ruotante in senso antiorario in 18 ore, per molti aspetti simile alla grande macchia di Giove, ma nel 1994 le osservazioni dell'HST hanno dimostrato che era già scomparsa, mentre un'altra tempesta scura, piuttosto simile, si stava formando nell'emisfero Nord del pianeta. Oggi si pensa che si tratti di una struttura analoga al buco nell'ozono terrestre e il colore scuro sarebbe dovuto all'assorbimento della luce rossa da parte del metano presente.

Nelle settimane precedenti l'incontro (estate 1989) la sonda ha potuto individuare nell'atmosfera del pianeta, sede di complessi moti circolatori, violente tempeste, cicloni semipermanenti, lunghe catene di nubi bianche di strutture ovali, simili a cirri giganteschi, alcune vaste e persistenti, altre limitate e variabili. Tra le più interessanti vi è la SDS (Second Dark Spot), che percorre una fascia atmosferica australe a latitudine –54° ed è caratterizzata dall'avere esattamente al centro una concentrazione di nubi bianche che le conferiscono l'aspetto di un occhio ciclopico.

Le nubi osservate hanno un periodo di rotazione più lungo rispetto a quello del pianeta, il che le fa apparire in moto retrogrado rispetto ad esso; si tratta di una caratteristica peculiare di Nettuno, in quanto sugli altri corpi giganti le nubi ruotano generalmente più velocemente del pianeta stesso. A ciò fa eccezione un'ulteriore macchia, individuata dal Voyager 2, più piccola della SDS, di colore bianco e che si muove molto velocemente lungo il parallelo –42°, denominata nube scooter; ruota in 16.8 ore e si pensa sia una macchia calda presente in profondità che genera una corrente ascensionale di solfuro di idrogeno in grado di attraversare le nubi di metano dell'alta atmosfera.

La presenza dei cirri può essere spiegata per mezzo del ciclo del metano: la radiazione solare dissocia il metano presente nell'alta atmosfera consentendo la formazione di idrocarburi più pesanti (etano, acetilene e diacetilene), i quali si inabissano nell'atmosfera condensandosi in cristalli ghiacciati. Nella parte inferiore dell'atmosfera la temperatura è più elevata e l'etano e il diacetilene si riconvertono in metano che forma nubi convettive ribollenti che risalgono fino a 50 km più in alto del livello medio dell'atmosfera. Nell'atmosfera di Nettuno ci sono i venti più potenti del Sistema Solare, infatti superano i 700 km/h, altra prova a favore di una fonte di calore interna del pianeta, in quanto il Sole è troppo distante per fornire tutta l'energia necessaria a "sostenere" tali venti.

un nucleo centrale piccolo e roccioso, composto prevalentemente da silicati e ferro, con un raggio di 7500 km e una temperatura di 6500-7000oK; un inviluppo di H molecolare ed He, con temperature fino a 2500oK e una pressione di 200.000 atmosfere; un mantello di ghiaccio fluido e convettivo di H2O, NH3 e CH4, che costituisce circa i 2/3 della massa totale ed inizia a 8000 km dalla superficie e apparentemente sede dell'effetto dinamo causa del campo magnetico; un guscio semifluido di H ed He e, in misura minore, CH4, che sfuma in una debole atmosfera.

Tabella riassuntiva sul Sistema Solare